红外光学系统

光学系统

1 概述

●作用：就是接收辐射能量，并把它传送给探测器。

●特点：

1.多采用反射式和折反式系统

光学玻璃的透光特性及机械性能，限制了透镜系统在红外光学系统中的应用。

2.性能评定是以与探测器匹配的灵敏度、信噪比为主

红外系统属光电子系统，接收器是光电器件，分辨率受到光电器件尺寸的限制，对光学系统的要求有

所降低。

3.视场小，孔径大

探测器接收面积较小、反射系统没有色差、系统对象质要求不高。

4.采用扫描器

当探测器阵列为线列时，为实现对空间目标的扫描成像，常采用扫描器。

5.波长的特殊性使得系统的重量重、成本高

常用红外波段的波长约为可见光的5～20倍，要得到高分辨率的系统，必须有大的孔径。

●设计光学系统时应遵循的原则：

1.光学系统与目标、大气窗口、探测器之间的光谱匹配。

2.接收口径、相对孔径尽可能大，以保证系统有高的灵敏度。

3.系统应对噪声有较强的抑制能力。

4.系统的形式和组成应有利于发挥探测器的效能。

5.系统和组成元件力求简单，减少能量损失。

6.根据不同要求，选择合适的元件组成所需的系统。

2 光学系统的主要参数

2.1光阑、入瞳

●在光学系统中起拦光作用的透镜和屏孔统称为光阑。

孔径光阑：决定最小入射光束截面积的光阑，如透镜的边框MN 和特加的圆孔光阑I 。 视场光阑：限制物空间的被成像范围，如光阑II 。 ●

入射光瞳：通过光学系统的光束的最大孔径角，描述目标辐射能量有多少为光学系统接收。

AB 是系统的孔径光阑。从F 点来看，AB 的大小相当于以孔径光阑为物，通过透镜L 在物空间所成的像A ，B ，，这个像的边缘对物点F 所作的张角，就是通过光学系统的光束的最大孔径角。光阑AB 的像A ，B ，就称为系统的入射光瞳。

2.2相对孔径、F/数

1、焦距

● F ，点为像方焦点，F 点为物方焦点； ● 过F ，点且垂直于光轴的平面称为像方焦面； ● H ，为象方主点，H 为物方主点；

●

象方主点与像方焦点之间的距离称为后焦距f ，一般称焦距。

2、相对孔径

●

入瞳直径0D 与焦距f 之比，即f D 0

。

像面上的辐照度与光学系统的相对孔径的平方成正比，要增加像面的辐照度，必须增加相对孔径。 3、F/数 ●

相对孔径的倒数0D f

，读为F 数（也就是相机的光圈数）

。 F ／8表示系统的焦距为入瞳直径的8倍。 ●

相对孔径或F/数是衡量光学系统聚光能力的一个参数。

像面上的辐照度为

2

00)/(4

f D L E τπ

=

'

4、F/数与数值孔径 ●

光学系统在空气中使用时，数值孔径NA 与F/数的关系为

NA

D

f F 21=

=

●

数值孔径和F 数都可用来表示物镜的聚光能力，物在有限远时，如显微系统，较多用数值孔径；物在无穷远时，如望远系统，较多用F 数。

2.3视场(FOV)、瞬时视场(IFOV)

●

视场是探测器通过光学系统能感知目标存在的空间范围。

度量视场的立体角称为视场角,习惯上常用平面角表示。

● 大多数红外系统的探测器放在光学系统的焦面上，探测器本身就是视场光阑，垂直和水平视场角可分别表

达为：

f

l tg

W V 21

-=，f

d tg

W H 21

-=

● 由多个探测元组成线阵或面阵探测器时，将单个探测元所对应的视场称为瞬时视场(IFOV)，而将线阵或面

阵探测器所对应的视场称为光学视场(FOV)：

f a IFOV

V

'

=

=α，

f b IFOV

H

'

=

=β

● 单元探测器的红外系统，其光学视场和瞬时视场是一致的；线阵或面阵探测器的瞬时视场角与单元探测器

相同，光学视场则与具体的光机扫描方式和面阵大小有关。

2.4焦深、景深

● 会聚到焦点的光束，在焦点处光束的截面积最小；在焦点两侧的一个短距离内，光束的截面积近似相等，

这一距离称为焦深。 根据波像差理论，焦深d 为：

2

4F d λ=

● 当物距变化时，只要像面位置与理想像面轴向位置的偏差不超过焦深，像点的亮度不会有明显的变化。 ● 将像的移动等于焦深的物距变化称为景深。

● 如光照足够，可以减小光圈，即增加F 数来增加景深。

2.5光学增益

● 一束辐射能经过光学系统聚集后落到探测器（面积为d

A

）上的辐射能强度，与未经光学系统时直接落在它

的入瞳处（假如此处有一探测器，其面积等于入瞳面积c A ）的辐射能强度之比称为光学增益。

● 点源系统光学增益

d

c A A G τ

=

式中，τ为光学系统的透过率；c A 为光学系统的入射光瞳面积；d A 探测器光敏面面积。

● 扩展源系统光学增益

2

)sin /'(sin βθτ=G

式中，'θ为光学系统像方孔径角的半角；β为物体对入瞳中心张角的半角。由于F 数变小时'θ变大，那么光学增益会增大。

总 结：

● 小F 数的光学系统具有较强的聚光能力，设计中应尽量减小F 数；但大F 数有助于增加景深；小F 数、大

孔径红外系统的重量重、成本高，会带来象差方面的其它影响。

● 实际应用中，有两类典型的光学结构，一类是F 数较小、视场较大的折射式系统；另一类是F 数较大、视

场较小的反射式或折反射式系统。

3影响光学系统像质的主要因素

● 物空间的一个物点发出的光线经实际光学系统后，不再会聚于像空间的一点，而是形成一个弥散斑。一是

由于光的波动本性产生的衍射；二是由于光学表面几何形状和光学材料色散产生的像差。

● 象差是由光学系统的物理条件所造成的。从某种意义上说，任何光学系统都存在有一定程度的象差。

单色光成像会产生性质不同的五种像差：影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲；影响物象相似程度的畸变。

不同色光通过光学系统时，成像差异称为色差：位置色差（纵向色差）和倍率色差（横向色差）。

● 系统通光口径确定后衍射是无法控制的。即使无任何像差，理想像点也不是一个几何点，而是一个弥散斑。

当光学系统的性能仅受到衍射限制时，该光学系统的性能已达到了极限，称为衍射限制。

4 红外物镜

反射式系统没有色差，工作波段很宽；对反射镜的材料要求不高，口径可以做得较大。缺点：如视场小、体积大、成本高、中心有遮拦等。

硫化锌、硒化锌、硅、锗等高折射率、低色散的晶体材料可制作成各类折射物镜。折射式物镜可有效弥地补反射式和折反式光学系统的缺点。

4.1 反射镜

一、球面反射镜

●最简单的反射镜是单个球面反射镜。其像质接近单透镜，但没有色差。

●球面反射镜是一种实用的红外物镜，在小孔径时能得到优良的图像。但随着视场和孔径的增大，其像质迅

速恶化。

二、非球面反射镜

非球面反射镜，通常是轴对称的二次曲面镜，面型由两个参数决定，便于通过选择面型来达到消除象差的目的。非球面反射镜的加工难度要大的多。

1）抛物面反射镜

●概念：抛物面反射镜由抛物线绕其对称轴旋转一周而成：

●特点：所有平行于光轴入射的光线均会相交于焦点处。抛物面反射镜对无限远轴上物点是等光程的，没有

像差，像质仅受衍射限制，弥散圆的大小为艾里斑。抛物面反射镜是小视场运用的优良物镜。

●几种常见的使用抛物面反射镜

a）的光阑位于焦面上，球差和像差均为零，像质较好，但探测器必须放在入射光束中，要档掉一部分中心光束。

b）为离轴抛物面反射镜，焦点在入射光束之外，但光学装校比较麻烦，非对称的抛物面加工也比较困难。

c）在光路中加了一块平面反射镜，与光轴成45o安装。可容易把焦点引出入射光束外，并用一目镜在垂直光轴的方向观察，不影响入射光束。但入射光束的中心部分会被次镜档掉。

d）为离轴抛物面牛顿系统，常用于平行光管。离轴是为了避免光源遮掉平行光束中的中心部分。

2）双曲面反射镜

●概念：把双曲线中的一根绕对称轴旋转一周，就得到双曲面。双曲面即可以利用凸面，也可利用凹面。

●特点：由一个（几何）焦点发出的光线，将严格地会聚于另一个焦点，且没有像差。在红外光学系统中，

经常使用双曲面反射镜的近轴区。

3）椭球面反射镜和扁球面反射镜

●椭球面反射镜：将椭圆绕其长轴旋转一周，取一部分，即得到旋转椭球面。一般利用内表面。

●扁球面反射镜：将椭圆绕其短轴旋转一周，取一部分，即得到旋转扁球面。扁球面反射镜一般利用凸面。

●特点：椭球面没有像差。椭球面反射镜和双曲面反射镜很少单独使用，与其他反射镜组合的双反射镜系统

中使用。

三、双反射镜

●为减少对入射光线的遮拦，便于接收元件的放置，在光学系统中放一块反射镜，将焦点引导入射光束的外

侧或引到主镜之外，这就是双反射系统。

入射光线首先遇到的反射镜常称为主反射镜，简称主镜；第二个反射镜称为次反射镜，简称次镜。

1）牛顿系统

●组成：旋转抛物面做主反射镜，次反射镜是平面镜，位于主镜的焦点附近，且与光轴成45o角。

●特点：主镜是抛物面镜，对无限远的轴上点没有象差。像质仅受衍射限制；轴外点象差较大。镜筒长、重

量大。常用在像质要求较高的小视场的红外系统。

2）卡塞格林系统

●组成：主镜是抛物面反射镜，次镜是凸双曲面反射镜。双曲面的一个焦点与抛物面主镜的焦点重合。经过

双曲面反射的光线必通过其另一焦点（双曲面反射镜的特点），且没有象差，此焦点就是整个双反射系统的焦点。

●特点：轴外点象差较小、镜筒短、焦距长；系统焦点位于主反射镜后面，便于放置红外探测器组件。卡塞

格伦系统在导弹红外探测系统中广泛应用。

3）格里高利系统

●组成：由抛物面主镜、凹椭球面次镜组成。主反射镜的焦点与椭球面反射镜的一个焦点重合，系统的焦点

就是椭圆面反射镜的另一个焦点。

●特点：格氏系统无球差，慧差也较小。

4）几种系统的比较

●牛顿系统与卡氏、格氏系统比较，前者的镜筒长，重量大，这是红外装置所不希望的。

●卡氏和格氏系统多了一个非球面次镜，系统成折迭式，镜筒短，且多一个次镜，可比牛顿系统更好地校正

轴外像差。

●卡氏系统与格氏系统比较，在相同地系统焦距与相对孔径的情况下，卡氏系统的次镜挡光小，镜筒更短，

比格氏系统更优越。像质好，镜筒短，焦点可以在主镜后面这几个优点，使卡氏系统在红外装置中得到广泛的应用。卡氏系统成倒像、格氏系统成正像。对红外探测器而言，这是无所谓的，因为在瞬时视场内无须区分正像、倒像。

●双反射镜系统次镜把中间一部分光档掉，且一旦视场和相对孔径变大，像质迅速恶化，这是双反射镜系统

最大的缺点。因此，双反射镜系统往往只用在物面扫描的红外装置中，很少用在像面扫描的红外装置中。

5）中心遮挡描述

● 双反射镜系统中心光束被次镜遮挡的程度，可用遮挡系数α表示：

1

2D D =

α

式中，1D 、2D 为主镜和次镜的直径。 遮挡后，有效通光面的有效直径为

2

12

1

211)

(

1α

-=-=D D D D D e

遮挡后，系统的有效F 数为

2

11''α

-=

=

D f D f F e

e

e e

式中，e f '为系统有效焦距。当系统没有遮拦时，2D 为0，F 数就是一般的定义了。

6）消除杂散光

● 使用双反射镜系统应当注意一点：必须防止杂散光直接射到探测器上。为此可以加杂散光挡板：

4.2折－反系统

为了得到较好的像质，反射式系统可用非球面镜。但非球面镜不易加工、成本高、检验难。于是，在主镜和次镜仍采用球面镜的系统中，加入附加的补偿透镜，校正球面反射镜的像差。出现了折－反式物镜系统，简称折反系统。

红外系统，特别是红外导引头光学系统广泛应用此类系统。其折射镜往往较薄，目的是色差尽可能小、减少能量吸收。

一、斯密特系统

● 组成：由一块球面反射镜、一块位于球面镜的曲率中心的非球面校正板组成。校正板的表面做成适合于补

偿反射镜球差的形状。

●特点：校正板就是孔径光阑，安装在曲率中心。系统没有慧差、像散和畸变，球差利用校正板校正。系统

在大视场范围内的像质很好。但系统的校正透镜形状复杂，难于加工，镜筒长度也比较长。

二、曼金折反系统

●组成：系统由一个球面反射镜和一个与它相贴的弯月形折射透镜组成。

●特点：系统的光阑就是它本身，球差是通过加入一个与反射镜相接的负透镜来校正的。负透镜会带来色差。

●曼金折反系统的球差和慧差比球面反射镜小，但色差较大。常把曼金折反系统做成胶合消色透镜。曼金折

反射镜都是球面镜，造价低，加工、安装容易。

●如图示带有曼金次镜的卡氏系统。曼金折反系统与球面主镜一起来消除剩余球差。

三、包沃斯－马克苏托夫系统

●组成：把曼金折反射镜的球面反射镜和负透镜分开，就构成基本的包沃斯－马克苏托夫系统。它利用两个

自由度（形状和位置），可以使成像质量比曼金镜有很大的提高。

●特点：三个面的曲率中心都取同一点O，并在此处放置孔径光阑。系统没有慧差、像差和畸变。校正透镜与

斯密特校正板一样，主要用来校正球面反射镜的球差，但引进一些残余色差。

●普遍采用。除性能优良，设计容易外，因为它完全由球面组长，加工方便，成本低。校正板凸面朝向入射

光线的包沃斯－马克苏托夫装置，往往用于红外导弹制导系统。由校正透镜构成的整流罩既是系统的窗，本身又是校正板。

●系统变形：为校正剩余球差，在系统共同球心处放置一块斯密特校正板：

●包沃斯－马克托夫－卡塞格林系统：包沃斯－马克苏托夫系统像质好，但焦点在球面反射镜和校正镜之间，

接收器必然造成中心挡光，使用不便。包－马－卡系统把校正透镜的中心部分镀上反射膜作次镜用，将焦点引出主反射镜之外。用校正透镜的凸面作反射次镜、或用凹面作反射次镜，都是曼金系统：

●导弹或机载红外用的包－马－卡系统的基本形式：a用曼金主镜和正的小校正透镜来改善像质；b依靠小校

正透镜改善像质；c用曼金次镜和整流罩一起来减小球差。

这类系统的色差往往比较严重，要求各透镜做得薄一些，且采用色散系数较小的材料。设认较难。

4.3折射式物镜

反射式物镜和折－反射式物镜虽然在红外系统广泛应用，但往往不能满足大视场、大孔径成像的要求。此外，双反射、折－反射系统体积大、加工难、成本高、中间挡光等缺点不能令人满意。有时不得不使用折射式物镜。

设计折射式物镜时，光学材料的选择是非常重要的，因为透镜的球差、色差等像差与折射率、色散系数有关。此外还要考虑使用波段内的材料的透过率。

5 辅助光学系统

● 名称：也称探测器光学系统、或二次聚焦系统。 ● 分类：场镜、浸没透镜、光锥。

● 作用：提高光学系统的聚焦能力、增大系统的光学增益，提高信噪比。

当光学系统的焦距、通光孔径和半视场角确定后，红外探测器的尺寸也就确定了：

FD

d D

f D d f

d 2/2/2'

'

=

=

=

ω，D

d F ω2=

根据数值孔径与相对孔径之间的关系，F 数的取值范围为：

2

11212sin '

'

≥

?≤=

=

=F F

f

D u NA

在实际应用中，F 数为1/2的系统像差非常大，很少采用。实际应用中F 数为：

'

1n F ≥

实际应用中探测器尺寸的设计原则为：

'

2n

D d ω≥

当物体在无限远处时，'

2f d ω≥。

当光学系统的D f 、、'

ω比较大时，探测器的尺寸也就比较大，噪声也相应的增大（噪声与探测单元的线性尺寸成正比），系统的信噪比降低。场镜，浸没透镜和光锥的设计就是为了在保持D f 、、'

ω不变的情况下，尽量缩小探测器的尺寸，这些光学元件放在物镜之后焦面附近，与探测器相连，故称之为探测器光学系统。 5.1场镜

1、概念：在焦平面后安放一块正薄透镜，叫场镜。

2、作用：

● 减小探测器尺寸、增加系统信噪比

在点源红外光学系统中，探测器通常不能放在焦平面上，向后放。需要加大探测器的尺寸才能接收到全部的辐射能量，使探测器的噪声增大。在焦平面后安放场镜后，边缘光线折向光轴，减小光束面积，用较小面积可接收全部光束，提高了系统的信噪比。

● 避免探测器光敏面响应不均匀性产生假信号

探测器后置，添加场镜，场镜把边缘光线折向光轴，使焦平面上每一点发出的光线都充满探测器，在探测器上均匀照度。

● 校正像面

使用场镜，可将曲像面校正为平面，可使用平面探测器。

● 增强系统的光学增益

加场镜后，探测器尺寸变小，但视场保持不变，整个光学系统的有效焦距'

e f （ω

2'

d f

e =）缩短，系统的F 数减小、

相对孔径增加、聚光能力增强，系统的光学增益增大。

● 减小目镜的通光口径

普通光学系统中，如望远镜的物镜和目镜组合时，使用场镜，场镜置于物镜的象平面上，可减小目镜的通光口径。

5.2浸没透镜

1、概念：在红外探测器光学系统中，把探测器和透镜后表面用浸没介质浸没起来，以缩小探测器尺寸，提高接收灵敏度。如显微镜中的油浸透镜等称为浸没透镜。

2、作用：可以在保持视场不变的情况下，缩短系统焦距，增大系统的数值孔径，增加探测器上的照度，提高信噪比。

单个折射球面是有像差的。通常有以下两种浸没透镜，可满足任意宽光束成完善象。 3、半球浸没透镜

● 概念：当物和像都在折射面曲率中心，这种浸没透镜叫半球浸没透镜。

● 特性：垂轴放大率：'/n n =β

，当镜前的介质为空气时，1=n ，则'/1n =β，半球浸没透镜可使像（或

探测器尺寸）缩小到'/1n ，面积缩小2

'n 倍，信噪比提高'n 倍。光学系统的焦距缩小到原来的'/1n ，数值孔径增加，系统的聚光能力增强。例如Ge 半球浸没透镜，4'=n ，可是探测器尺寸缩小4倍，面积缩小

16倍，信噪比由此提高4倍。

4、超半球浸没透镜

● 概念 ：探测器放在比浸没透镜的球心更远的地方，透镜的厚度r d >，这样的透镜叫超半球浸没透镜。

● 特性：垂轴放大率：2

2'/n n =β

，当浸没透镜前的介质为空气时，1=n ，则2'/1n =β，也就是说半

球浸没透镜可使像（或探测器尺寸）缩小2'n 倍，面积缩小4'n 倍，信噪比由此提高2

'n 倍。

5.3光锥

1、概念：光锥为一锥形空腔（或实体），具有高反射率的壁，它在接收端收集光，光经多次反射到达另一端，该处常放着探测器。光锥和场镜、浸没透镜一样能缩小探测器尺寸，增加系统灵敏度，是一个聚能元件。

2、分类：空心光锥和实心光锥

3、实际应用

实际应用中，往往把场镜和光锥组合使用。当尺寸不大时，还把它们一起封装在探测器内。光锥还很好地起到了冷屏的作用，大大降低背景噪声，提高信噪比。